General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.
Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.
You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from orbit.dtu.dk on: Mar 24, 2022
Fysiske principper bag kunsten at lave god mad i stor skala
Adler-Nissen, Jens; Feyissa, Aberham Hailu
Published in:
Dansk Kemi
Publication date:
2017
Document Version
Også kaldet Forlagets PDF Link back to DTU Orbit
Citation (APA):
Adler-Nissen, J., & Feyissa, A. H. (2017). Fysiske principper bag kunsten at lave god mad i stor skala. Dansk Kemi, 98(9), 22-25.
■ FØDEVARETEKNOLOGI
Forskning i fødevareproduktionsteknologi:
Fysiske principper
bag kunsten at lave god mad i stor skala
Tilberedningen af faste fødevarer ved koge-, stege- og
bageprocesser er et centralt trin i størstedelen af al madlavning, både i lille og stor skala. En mekanistisk forståelse af de fysiske og kemiske processer, som følger af opvarmningen, er grundlaget for at kunne lave realistiske, prædiktive matematiske modeller af disse processer. Sådanne modeller kan lette meget af arbejdet ved opskalering til industriproduktion.
Af Jens Adler-Nissen og Aberham Hailu Feyissa, Forskergruppen for Fødevareproduktionsteknologi, Fødevareinstituttet, Danmarks Tekniske Universitet Forskningen i fødevareproduktionsteknologi ved DTU har helt overordnet det formål at forstå og videreudvikle de videnska- belige principper, som ligger til grund for forarbejdning af fødevarer i industriel skala. Allerede denne brede formule- ring antyder, at skalering af processerne er et centralt emne.
Fødevareindustrien, herunder catering-industrien, har brug for pålideligt og driftsøkonomisk forsvarligt at kunne opskalere forarbejdningen af nyudviklede produkter fra forsøgskøkken- skala til industri-skala og stadig opnå den ønskede kvalitet og sikkerhed. En gennemgående udfordring er her, at skaleringens effekt på produktkvalitet, produktsikkerhed og produktivi- tet kun i et vist omfang kan prædikeres gennem matematisk modellering, og der er derfor et betydeligt element af heuristik forbundet med opskaleringen og optimeringen af en ny produk- tionsproces i fødevareindustrien.
Termiske processer er centrale i madlavning Ovenstående abstrakte formulering vil vi konkretisere med eksempler fra vores forskning i termisk processering af faste fødevarer. Det dækker i korthed over koge-, stege- og bagepro- cesser, som er centrale processer i størstedelen af al madlav- ning, hvad enten den foregår i husholdningen, i storkøkkener eller i industriel skala. I den klassiske udformning af disse processer transporteres varmen henover grænsefladen mel- lem omgivelserne og den faste fødevare og fordeles derefter gennem ledning til det indre af fødevaren. Varmeoverførslen kan her ske ved tre forskellige fysiske principper: Ved kontakt- ledning, som f.eks. stegning på pande, ved konvektion, som f.eks. kogning i vand eller stegning og bagning i en konvekti- onsovn og ved stråling, som når man griller kød. I senere tid er de klassiske varmeoverførselsprocesser blevet suppleret med
forskellige volumetriske opvarmningsprincipper, hvor energien afsættes inde i fødevaren og her omdannes til varme, således at opvarmningen ikke begrænses af ledningen gennem produktet.
Mikrobølgeopvarmning er et velkendt eksempel fra hushold- ningen, men også andre former for volumetrisk opvarmning af faste fødevarer er ved at vinde indpas i industrien. Her arbejder vi i den fødevareproduktionsteknologiske forskergruppe med ohmsk opvarmning af faste fødevarer, hvor opvarmningen sker ved at lade en vekselstrøm passere gennem produktet [1].
Den termiske processering medfører en lang række kemiske og fysisk-kemiske ændringer i fødevaren, hvor især denature- ring af proteiner, forklistring af stivelse, blødgøring af plante- cellevægge og bruningsreaktioner som Maillard-reaktioner og karamellisering, har afgørende betydning for et gastronomisk tilfredsstillende resultat. Det er velkendt for læsere af Dansk Kemi med de traditionsrige essays om køkkenkemi, og det vil i øvrigt være uoverkommeligt at henvise til faglitteraturen her.
Opvarmningen af den faste fødevare inducerer også vigtige transportprocesser, hvor især transporten af vand i flydende form og/eller på dampform er central (i brødbagning er også transporten af CO2 vigtig). Tillige medfører opvarmningen en hel eller delvis inaktivering af tilstedeværende mikroorganis- mer, hvilket er ønskværdigt og i mange tilfælde også et hoved- formål med termisk processering.
Vores forskning i termisk processering af faste fødevarer sigter på en sammenfattende mekanistisk forståelse af den rent fysiske opvarmningsproces og dens kobling med vand- og gas- transporten og de nævnte ledsagende kemiske og fysisk-kemi- ske ændringer. En dækkende mekanistisk forståelse er grund- laget for at kunne lave en troværdig prædiktiv modellering af processen med henblik på blandt andet at kunne foretage en pålidelig ekstrapolation fra lille til stor skala. En sådan model kan imidlertid ikke opstilles på teoretisk grundlag alene - der skal kontrollerede eksperimenter til for at bestemme forskellige parameterværdier i modellen og for i øvrigt at validere model-
FØDEVARETEKNOLOGI ■
lens gyldighed. Disse eksperimenter bør ikke bare foretages på forenklede fødevaremodeller, men også på de rigtige fødevarer for at fange kompleksiteten i den mekanistiske forståelse.
Mekanistisk forståelse og fysisk modellering Tilberedning af hele kødstykker i en ovn illustrerer på glim- rende vis de ret komplekse mekanismer, som gør sig gældende ved en tilsyneladende simpel proces: Et stykke kød med kendte termo-fysiske egenskaber og kendte dimensioner anbringes i et ovnkammer med cirkulerende luft. Lufttemperaturen antages at være konstant = T1 [oC], og varmeovergangstallet mellem luft og kød er eksperimentelt bestemt til h [W/(m2·K)]. Hvis kødet var kemisk upåvirket af temperaturstigningen, ville tempera- turen T som funktion af tiden t i de tre dimensioner (x, y, z) i kødet da kunne beskrives udtømmende ved en partiel differen- tialligning af Fourier-typen [2]:
(1)
hvor k er kødets termiske ledningsevne, [W/(m·K)], cp er kødets varmekapacitet [J/(kg·K)] og ȡ er kødets densitet [kg/m3].
De forskellige kemiske og fysisk-kemiske ændringer i kødet som følger af den stigende temperatur i kødets indre, får imidlertid hurtigt indflydelse, så ligning (1) er kun gældende i det allertidligste forløb af processen. Denatureringen af mu- skelproteinerne og bindevævet får kødstykket til at trække sig sammen, og samtidig ændres dets mekaniske (visko-elastiske) egenskaber. Elasticitetskoefficienten stiger med en faktor ca. 7, så kødet bliver stivere [3], og det er faktisk det, man udnytter, når man trykker på en bøf under stegningen for at mærke, om den er tilpas stegt. Sammentrækningen bevirker, at der dannes porer og kanaler i de ydre og mest denaturerede dele af kødet, som vist på figur 1. Sammentrækningen og den øgede stivhed skaber også et betydeligt mekanisk overtryk i kødet, og det medfører en trykdrevet transport af vandet i kødet, ligesom når
før været formuleret i alle disse detaljer i den videnskabelige litteratur, og de tidligere prædiktive modeller har haft begræn- set gyldighed. Et bemærkelsesværdigt resultat af vores arbejde er påvisningen af, hvor stor betydning vandtransporten har for temperaturfordelingen i kødet under stegningen og dermed for det gastronomiske resultat, se figur 2. Arbejdet har yderligere ført til et samarbejdsprojekt med en af verdens førende produ- center af konvektionsovne til storkøkkenbrug.
Særlige eksperimentelle platforme
Det at udføre kontrollerede eksperimenter er ikke altid en simpel opgave, når det gælder termisk processering af faste fødevarer. Forsøgene skal nemlig udføres under betingelser, som realistisk afspejler procesbetingelserne i den industrielle proces - ellers kan man ikke opnå den ønskede kvalitet. Der er tale om et ofte udfordrende arbejde med at designe og konstru- ere en sådan eksperimentel platform, hvor man kan få adgang til både at kunne variere procesbetingelserne reproducerbart og foretage de relevante målinger på produktet, inklusive fotogra- fering og billedanalyse. Det kan illustreres med det forsknings- samarbejde, som gruppen har haft med en af verdens førende producenter af tunnelovne, Haas-Meincke A/S. Det eksplicitte formål var at opnå en bedre fysisk forståelse af bageprocesser i kontinuerlige tunnelovne.
En industriel tunnelovn kan have en længde fra 20 til 100 m, og den er opdelt i zoner med hver sin styring af lufthastighed og -temperatur. Luften blæses ind gennem fordelerplader oven- over og nedenunder bagebåndet, og luften forlader ovnkamme- ret gennem siderne. Samtidig bevæger bagebåndet med produk- tet sig gennem ovnen med en jævn og kontrollerbar hastighed.
Det er oplagt, at det er eksperimentelt overordentlig vanskeligt at måle på produkterne under passagen gennem ovnen, og reelt er en sådan ovn en black box.
Vi besluttede derfor i fællesskab med Haas-Meincke A/S at bygge en pilot plant-ovn, som skulle genskabe procesbetin- gelserne i den kontinuerlige ovn samtidig med, at vi visuelt kunne ovevåge produktet og foretage kontinuerlige målinger af produkttemperatur og vægttab. For at genskabe den relative bevægelse mellem luftindblæsning og bagebånd lod vi fordeler- pladerne bevæge sig frem og tilbage, mens produktet stod stille på en plade, som hvilede på en præcisionsvægt nedenunder ovnkammeret, se figur 3, side 4. Vi kunne gennem målinger og numerisk simulation (CFD, computational fluid dynamics) డ்(௫,௬,௭)
డ௧
=
ήఘ
ή ቀ
డడ௫మ்మ+
డడ௬మ்మ+
డ௫௭డమ்మቁ
Figur 1. Mikrostruktur af kød efter fem min. stegning ved 175oC [3]. S: nær overfladen, M: halvvejs fra centrum, C: centrum.
man trykker en våd svamp sammen [3]. Da råt kød stort set er impermeabelt over for vand, så er vandet nødt til at bevæge sig ud mod overfladen, hvor permeabiliteten er højere på grund af poredannelsen. Her forlader det kødet som dryp, der helt eller delvist fordamper [3].
Vandtransporten i det indre af kødet kan udtrykkes som en differentialligning, hvori der indgår en række kødspecifikke, temperaturafhængige parametre: vandbindingsevnen, C [-], elasticitetsmodulet, E [N/m2] og vandpermeabiliteten, K [m2] [3]. Værdier for disse parametre har vi hentet fra litteraturen.
Da vandet bevæger sig fra den kolde midte til de varmere ydre dele, bidrager vandtransporten også med et ekstra led i (1). Løs- ningen af disse to koblede differentialligninger kan ikke gøres analytisk, men må gøres numerisk, hvor vi i forskningsgruppen har valgt det vidt udbredte program COMSOL Multiphysics.
Denne mekanistiske beskrivelse af stegeprocessen kan man måske nok nikke genkendende til, men faktisk har den ikke
Figur 2. Temperaturforløb (centrum) under stegning af kød ved 175oC [4, p. 85]. Den røde kurve viser temperaturen (beregnet), hvis der ingen fordampning var; den blå kurve, når vandtranspor- ten medregnes i modellen. De blå cirkler viser de målte tempera- turer. Kødstykket har dimensionerne 40 x 40 x 54 mm.
konstatere, at pilot plant-ovnen kunne genskabe det luftflow og de lokale varmeovergangstal, som hersker i en industriovn, og at bagningen var ensartet på tværs af pladen [5]. Pilot plant- ovnen blev valideret over for tunnelovnen ved sammenlignede bageforsøg, som viste, at man opnåede samme farve og vægttab ved de samme bagebetingelser (lufttemperatur og bagetid) [5].
Kontaktbagning
Den fødevareteknologiske forskningsgruppe på DTU har gennem årene opbygget adskillige andre sådanne eksperimen- telle platforme. Et eksempel er en platform til undersøgelse af kontaktstegning og kontaktbagning, figur 4. Her er det en
udfordring at kontrollere varmefluxen og kontakttemperaturen under processen, idet den indledende kontakt mellem hede- fladen og det kolde kød eller den kolde dej skaber en lokal, kraftig nedkøling og dermed et ukontrollabelt fald i kontakt- temperaturen under processen. Det er et velkendt fænomen fra køkkenet, når man steger bøffer. Det har vi modvirket ved at tilføre varmen gennem en massiv blok af aluminium, som giver høj varmekapacitet og meget lav ledningsmodstand i kontakt- arealet. Ligesom i pilot plant-ovnen kan vi kontinuerligt følge fordampningstabet under processen.
Stegeplatformen har været benyttet i flere forskellige forsk- ningsprojekter, blandt andet til test af nye typer rengørings- venlige overfladebelægninger [6]. Som testprodukt anvender industrien generelt pandekager, idet bagning af pandekager kan standardiseres og vurderes gennem farvemålinger og adhæ- sion til stegefladen. Den pandekagemodel, som vi udviklede, har i anden sammenhæng givet en god mekanistisk forståelse af kontaktbagning generelt, hvilket også dækker andre meget store produkter, som fladbrød, pitabrød og chapati [7,8]. Denne viden har vi på det seneste kunne udnytte i et samarbejds- projekt med en forskergruppe i elektrofysik på Universitetet i Zaragoza, som blandt andet arbejder med modellering af induktionsopvarmning.
Induktionsopvarmning - en udfordrende proces Induktionskomfurer giver en meget hurtig opvarmning, men i modsætning til hvad de fleste formodentlig forestiller sig, er opvarmningen af en pande på et induktionskomfur ikke særlig jævn, se figur 5A. Fabrikanterne af induktionskomfurer er nødt til at optimere designet af induktionsspolerne ved hjælp af gentagne bageforsøg, og her bruger man faktisk pandekager som model og trænede kokke til at udføre forsøgene. Det er et tidskrævende
Figur 3. Pilot plant bageovn som simulerer en industriel tunnelovn (eget foto). Hulpladerne til luftfordeling kan skimtes gennem ruden. Bagepladen hviler på vægten nedenunder ovnen.
Figur 4. Eksperimentel platform (egen konstruktion) til undersø- gelse af kontaktstegning og kontaktbagning (eget foto).
Figur 5. Modellering af induktionsopvarmning [9].
A: Simulering af temperatur- fordelingen ved induktions- opvarmning af en tør pande.
B: Simulering af farve - dannelsen ved bagning af en pandekage på A.
■ FØDEVARETEKNOLOGI
A
B
Ny viden om menneskets oprindelse
I en gammel mine i Marokko er fos- siler og stenredskaber siden starten af 1960’erne blevet fundet i udgravningen Jebel Irhoud, der ligger cirka 100 km vest for Marrakesh. Fundene viste sig at være levn fra Homo sapiens og blev dengang vurderet til at have omkring 160.000 år på bagen, hvilket passede ind i den hidtidige teori om menneskets oprindelse i det østlige Afrika for ca.
200.000 år siden.
I 2004 genoptog forskere fra Max Planck Instituttet de arkæologiske ud- gravninger i Marokko og fandt flere fos- sile levn. Fundene er sensationelle, fordi de afslører den hidtil ældste datering af Homo sapiens på intet mindre end 300.000 år. Også fossilerne fra tresserne har fået omskrevet deres historie og er efter nye analyser vurderet til at være 350.000-280.000 år gamle - altså en fordobling af den hidtil anslåede alder.
Vi er som art med ét blevet 100.000 år ældre, og Marokkos geografiske koor- dinater udfordrer forestillingen om Østafrika som stedet, hvor mennesket er opstået og udvandret fra.
Den nye viden er opnået med en Risø TL/OSL-reader udviklet på DTU (TL:
Thermoluminescense og OSL: Optically Stimulated Luminescence). Readeren måler materialers lysudsendelse. Når man kender et materiales luminescenssignal, er det muligt at beregne, hvornår f.eks.
arbejde, og der er et stort behov for at kunne foretage vejledende modelsimuleringer af sådanne forsøg. Den spanske forskergruppe kunne modellere selve induktionsopvarmningen af en tør pande uden produkt, men det afspejler ikke realistisk resultatet af et egentligt bageforsøg. Vi koblede så vores mekanistiske forståelse og modellering af kontaktbagning med deres modelleringskom- petence, og vores spanske gæsteforsker udførte også forsøg på stegeplatformen for at kunne opbygge en empirisk model, som prædikerede farvedannelsen som funktion af tid og temperatur [9]. Figur 5B viser resultatet af en sådan prædiktion, og det er ty- deligt, at pandekagen bliver lysere i centrum i overensstemmelse med den ujævne temperaturfordeling vist i figur 5A.
Arbejdet er illustrativt for, hvordan vores forskning i termisk processering typisk hviler på:
1) en mekanistisk forståelse,
2) numerisk modellering af varme- og massetransport, 3) opbygningen af en pålidelig eksperimentel platform, og 4) kombination med en kinetisk model til at relatere kvali- tetsparametre (her farve) med resultatet af den numeriske modellering.
Man er simpelthen nødt til i gruppen at beherske fysik, teknik og fødevarevidenskab, og det er ikke mindst den sidste disciplin, der berettiger gruppens placering på DTU Fødevareinstituttet.
E-mail:
Aberham Hailu Feyissa: abhfe@food.dtu.dk
Referencer
1. Pedersen, S.J., Feyissa, A.H., Brøkner Kavli, S.T., & Frosch, S. (2016).
An investigation on the application of ohmic heating of cold water shrimp and brine mixtures. Journal of Food Engineering 179: 28-35.
2. Mills, A.F. (1995). Heat and Mass Transfer, Chicago: Irwin, pp. 123-173.
3. Feyissa, A.H., Gerneay, K., Adler-Nissen, J. (2013). 3D modelling of coupled mass and heat transfer of a convection-oven roasting process.
Meat Science 93: 810-820.
4. Feyissa, A.H. (2011). Robust Modelling of Heat and Mass Transfer in Processing of Solid Foods. Ph.d.-afhandling, DTU Fødevareinstituttet.
http://orbit.dtu.dk/en/publications/robust-modelling-of-heat-and- mass-transfer-in-processing-of-solid-foods(60d891d1-2e8a-4904-81e4- 393c3b1e8f16).html.
5. Stenby, M., Risum, J., Adler-Nissen, J. (2013). Design and Construction of a Batch Oven for Investigation of Industrial Continuous Baking Processes. Journal of Food Process Engineering 36: 500-509.
6. Ashokkumar, S., Adler-Nissen, J. (2011). Evaluating non-stick properties of different surface materials for contact frying. Journal of Food Engineering 105: 228-235.
7. Feyissa, A.H., Gerneay, K., Adler-Nissen, J. (2011). Modelling of coupled heat and mass transfer during a contact baking process. Journal of Food Engineering 106: 228-235.
8. Feyissa, A.H., Gerneay, K., Adler-Nissen, J. (2012). Uncertainty and sensitivity analysis: Mathematical model of coupled heat and mass transfer during a contact baking process. Journal of Food Engineering
109: 281-290.
9. Sanz-Serrano, F., Sagues, C., Feyissa, A.H., Adler-Nissen, J., Llorente, S (2016). Modeling of pancake frying with non-uniform heating source applied to domestic cookers. Journal of Food Engineering 195: 114-127.
en flintøkse blev begravet. Luminescens- datering er velegnet til kortlægning af menneskets udvikling, da metoden kan anvendes til aldersbestemmelse af op til ca. 500.000 år. Til sammenligning kan eksempelvis kulstof 14-datering kun anvendes ca. 50.000 år tilbage i tiden.
Den første Risø TL/OSL-reader
blev fremstillet i 1982, og indtil 2017 har DTU Nutech eksporteret over 400 instrumenter. Det årlige salg ligger på omkring 20 instrumenter, og Risø TL/
OSL-readeren står i laboratorier i mere end 40 lande.
Kilde: www.dtu.dk
